Diodi LED - prima parte

di Aldo Visentin

Un’altra delle cose che in gioventù mi affascinò fu la magia delle lucine colorate che costellavano le console. Mimando ciò che succedeva in scena, erano le uniche interfacce con le quali scambiare occhiate complici durante il lavoro. Ricordo che nei miei primi passi tali “lucine” erano solo rosse, per poi diventare multi colore unitamente a display di qualche carattere. Era la metà degli anni Ottanta, quando le ragazze andavano a ballare in discoteca con le scarpe di vernice nera con il tacco non molto alto, il gonnellino corto, i capelli cotonati, le spalline della giacca imbottite e rossetto rigorosamente rosso; molto prima dell’avvento dei paninari per capirci.

Non ho mai indagato veramente su come funzionassero le lucine a LED e non mi sono mai posto il problema per lungo tempo. I LED hanno “contornato” la nostra vita per lunghi anni senza mai mettersi in mostra più di tanto: piccini e di tanti colori e forme sono diventati negli ultimi venti anni silenziosi compagni di vita in una miriade di applicazioni quotidiane, dal telecomando della TV all’Hi-Fi, dall’autoradio agli elettrodomestici e molto altro ancora.

Proprio quando sembrava che la loro vita fosse ormai relegata a tutto ciò, si sono “svegliati” e ora sono in piena riscossa.

Light Emitting Diode (Diodo emettitore di luce)

In questo primo episodio sui LED, parleremo essenzialmente del loro principio di funzionamento. Vedremo poi nelle puntate successive i vari tipi di LED ed infine le considerazioni/applicazioni che ci riguardano da vicino nello show business.

Abituato a concepire le sorgenti luminose per lo più come oggetti bulbiformi con miscele di gas all’interno e altre diavolerie quali filamenti o elettrodi, appena annusai la parola “diodo” ammetto di essere stato colto da una certa repulsione per la cosa. Tuttavia non ne possiamo più stare alla larga, visto che i proiettori che usano queste sorgenti stanno “invadendo” il nostro mercato e quindi sarà meglio cominciare a capirne un po’ di più.

La struttura dei LED è completamente diversa dalle lampade tradizionali, quindi tutti coloro che non ci hanno ancora messo il naso dentro si allaccino le cinture perché ne vedremo di nuove e belle.

La storia dell’evoluzione tecnologica legata al LED racconta che nel 1960 un tal Nick Holonyak jr. inventa il primo diodo emettitore. Negli anni Settanta si sviluppano LED a spettri diversi quali verde, giallo e arancio. Il LED viene impiegato per i display delle calcolatrici, orologi digitali e tester. Negli anni ‘80 i LED diventano più potenti, più sofisticati, più efficienti (più luminosi per potenze dissipate inferiori) ed è proprio alla fine del decennio che appaiono i primi schermi e display outdoor.

Negli anni ‘90 le performance dei LED crescono ulteriormente, trovando sempre più applicazioni (HB-LED), ma è solo a metà degli anni Novanta che si scopre il LED blu ad alta potenza, utilizzato poi come base per generare luce bianca.

Il LED è, per definizione, un diodo che emette luce. Un diodo è un dispositivo elettronico che consente il passaggio di corrente elettrica in una sola direzione.

Fisicamente si tratta di un chip di materiale semiconduttore impregnato o drogato (anche qui?) con impurità per formare una giunzione positivo-negativo (P-N): il polo positivo di tale giunzione è chiamato anodo, quello negativo catodo.

Enunciato questo vediamo se riusciamo a capirci qualcosa in forma relativamente semplice.

Partiamo dal materiale semiconduttore (questo sconosciuto). Un materiale semiconduttore ha una media capacità di condurre corrente elettrica e questo dipende essenzialmente dalla sua struttura atomica. Le diverse strutture atomiche dei materiali ne definiscono infatti le caratteristiche; ci sono isolanti, conduttori o semiconduttori. Per comprendere la cosa a livello atomico dovreste andarvi a vedere la teoria delle “bande”. Avverto i meno avvezzi che la cosa può compromettere gravemente le capacità cognitive e la salute.

Sono materiali semiconduttori il germanio, il silicio, il carbonio e l’arseniuro di gallio (tutte cose che al limite trovate in farmacia).

Un materiale semiconduttore di per sé non conduce se lo lasciamo in pace, ma attraverso delle operazioni allucinogene (drogaggio) si può renderlo conduttore. Ciò avviene in due forme diverse denominate P e N a seconda della droga somministrata. Il drogaggio di tipo N rende il materiale conduttore quando acquisisce carica negativa, ossia gli avanzano elettroni. Viceversa il tipo P si considera positivo perché dal drogaggio ne consegue una mancanza di elettroni denominate lacune. I materiali di drogaggio N e P sono rispettivamente: fosforo, antimonio, arsenico e bario, allumino, gallio. Invito tutti a non sperimentare tali tipi di drogaggio perché non sortiscono effetti sull’uomo come sui semiconduttori.

La figura (a) rappresenta lo stato atomico di un semiconduttore non drogato.

La figura (b) rappresenta lo stato atomico di un semiconduttore tipo N

La figura (c) rappresenta lo stato atomico di un semiconduttore tipo P

Wafer luminoso

Un diodo LED è composto sostanzialmente da due “barrette” (una P ed una N) che si baciano amorevolmente. Nel loro punto di contatto si genera una sorta di “barriera” elettrica (denominata anche zona di svuotamento) avente un suo potenziale che preserva le caratteristiche elettriche di ciascuna barretta, un po’ come un wafer.

Applicando la tensione giusta nel verso giusto ai capi del Diodo si “spingono” gli elettroni e le lacune verso la giunzione P-N abbassandone così la barriera di potenziale e assottigliano la zona di svuotamento (l’equivalente dello strato di cioccolata nel vero wafer) tale da poter permettere alle cariche in eccesso della zona N di attraversare la barriera e spostarsi attraverso le lacune della zona P, determinando lo scorrimento della corrente dal polo negativo a quello positivo.

Quando gli elettroni attraversano la barriera e incontrano le lacune, “decadono ad un livello di energia inferiore” rilasciando la differenza di energia sotto forma di fotoni (luce).

La lunghezza d’onda della luce emessa, e quindi il suo colore, corrisponde appunto al divario tra i livelli energetici dei materiali utilizzati per formare la giunzione P-N.

Poiché i fotoni sono emessi a frequenze specifiche, un “salto” energetico alto produrrà un fotone ad alta frequenza e quindi con lunghezza d’onda corta. La giunzione P-N della maggior parte dei LED è realizzata con arseniuro di gallio con fosforo di gallio, entrambi materiali in grado di emettere radiazioni luminose quando vengono attraversati da corrente elettrica.

Fino al prossimo numero di S&L avete tutto il tempo per “fare vostra” la cosa!